第六讲 原核基因表达调控
? 绪论
? 一,乳糖操纵子的调控模式
? 二,色氨酸操纵子的调控模式
? 三,其他操纵子的调控机制
? 四,原核生物种的转录后调控
绪论
? 原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的
环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件
的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环
境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择
倾向于保留高效率的生命过程。在一个每 30min增
殖一倍的 109细菌群体中，若有一个细菌变成了
29.5min增殖一倍，大约经过 80天的连续生长后，
这个群体中的 99.9%都将具有 29.5min增殖一倍的生
长速度。
? 一个大肠杆菌细胞中约有 2500-3000个基因。估
计正常情况下，可带有 107个蛋白质，平均每个
基因产生 3000多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一
般带有 15,000-30,000个核糖体，有 50余种核糖体
结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖酵解系
统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导
酶，其含量可少至每细胞仅 1-5个分子。
? 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这
种,开 -关,（ on-off）活性是通过调节转录来建立的，
也就是说 mRNA的合成是可以被调节的。当我们
说一个系统处于,off”状态时，也有本底水平的基
因表达，常常是每世代每个细胞只合成 1或 2个
mRNA分子。所谓,关,实际的意思是基因表达量特
别低，很难甚至无法检测。
? 科学家把这个从 DNA到蛋白质的过程称为基因表
达 (gene expression)，对这个过程的调节就称为
基因表达调控 (gene regulation或 gene control)。
要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征
和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时
间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我
们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
? 基因表达调控主要表现在以下几个方面：
① 转录水平上的调控 (transcriptional regulation)；
② mRNA加工成熟水平上的调控 (differential
processing of RNA transcript)；
③ 翻译水平上的调控 (differential translation of
mRNA).
? 原核生物中，营养状况 (nutritionalstatus)和环境
因素 (environmental factor)对基因表达起着举足
轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，
激素水平 (hormone level)和发育阶段
(developmental stage)是基因表达调控的最主要
手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
一,乳糖操纵子的调控模式
? 大肠杆菌乳糖操纵子 (lactose operon)包括 3
个结构基因,Z,Y和 A，以及启动子、控制
子和阻遏子等。转录时,RNA聚合酶首先与
启动区 (promoter,P)结合，通过操纵区
(operator,O)向右转录。转录从 O区的中间开
始，按 Z→Y→A 方向进行，每次转录出来的
一条 mRNA上都带有这 3个基因。转录的调控
是启动区和操纵区进行的,
? Z编码 β-半乳糖苷酶； Y编码 β-半乳糖苷透过酶；
A编码 β-半乳糖苷乙酰基转移酶。 β-半乳糖苷酶是
一种 β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解
成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他 β-半乳糖苷
（如苯基半乳糖苷）。 β-半乳糖苷透过酶的作用
是使外界的 β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 β-半乳糖苷乙
酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶 A上的乙酰基转
到 β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
? 1,酶的诱导 -lac体系受调控的证据在不含乳
糖及 β-半乳糖苷的培养基中,lac+基因型每
个大肠杆功细胞内大约只有 1-2个酶分子。如
果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到
细胞总蛋白量的 6%或 7%，每个细胞中可有
超过 105个酶分子。
? 科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性 35S
标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的
培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放
射活性的细菌转移到不含 35S、无放射性的
培养基中，随着培养基中诱导物的加入,β-
半乳糖苷酶便开始合成。分离 β-半乳糖苷酶，
发现这种酶无 35S标记。说明酶的合成不是
由前体转化而来的，而是加入诱导物后新
合成的。
? 已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况
下都能产生 lacmRNA的突变体，这种失去
调节能力的突变体称为永久型突变体，为
分两类,I型和 O型。
I型：野生型为 I+，突变型为 I-
O型：野生型为 O+，突变型为 Oc。
? I+→I -或 O+→Oc 后,Z,Y,A结构基因均
表现为永久表达，所以 I基因被称为调节基
因 (regulatory gene)。研究发现,I基因是一
个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系
关闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使细
胞成为 lac永久表达型。 I-/I+局部二倍体由
于带有一个正常阻遏物，使细胞中的 lac仍
然被抑制。
? 遗传学图谱分析指出,Oc突变位于 I与 Z之
间，所以,lac体系的 4个基因的序列为
IOZY。通过这些观察,Jacob和 Monod推
断 Oc突变代表 DNA链上的一个位点或一个
非编码区域，而不是一个基因，因为可编
码的基因具有互补性，而 Oc没有这一特性。
O决定相邻 Z基因的产物是诱导型合成还是
永久型合成,O区域称为操纵基因。
2,操纵子模型
Jacob和 Monod认为诱
导酶（他们当时称为
适应酶）现象是个基
因调控问题，可以用
实验方法进行研究，
因此选为突破口，终
于通过大量实验及分
析，建立了该操纵子
的控制模型。
① Z,Y,A基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA
分子所编码。
② 这个 mRNA分子的启动子紧接着 O区，而位于 I与
O之间的启动子区（ P），不能单独起动合成 β-半
乳糖苷酶和透过酶的生理过程。
③ 操纵基因是 DNA上的一小段序列（仅为 26bp），
是阻遏物的结合位点。
④ 当阻遏物与操纵基因结合时,lacmRNA的转录起
始受到抑制。
⑤ 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，
使之不能与操纵基因结合，从而激发 lacmRNA的
合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻
遏物占据，所以启动子能够顺利起始 mRNA的合
成。
3,Lac操纵子的本底水平表达
? 因为诱导物需要穿
过细胞膜才能与阻
遏物结合，而运转
诱导物需要透过酶。
在非诱导状态下有
少量（ 1-5个 mRNA
分子） lac mRNA合
成 --本底水平永久
型合成。
4,葡萄糖对 lac操纵子的影响 --代谢物阻遏效
应
研究表明，葡萄糖对 lac操纵子表达的抑制
作用是间接的，因为存在一种大肠杆菌突
变株，它正常的糖酵解过程受阻，葡萄糖 -
6-磷酸不能转化为下一步代谢中间物，该菌
株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成
lac mRNA。
5,cAMP与代谢物激活蛋白
? 当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，
lac启动子表达受阻，没有 β-半乳糖苷酶活
性；当葡萄糖消耗完以后（图中箭头处），
细胞内 cAMP浓度增加,β-半乳糖苷酶活性
被诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。
如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细
胞内 cAMP浓度就很高；若在含葡萄糖的培
养基中培养，细菌中的 cAMP浓度就会很低；
如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵
解的碳源培养基中，细菌中 cAMP的浓度也
会很高。
? 研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制
(Catabolite repression)现象的实质是该代谢物降
低了细胞中 cAMP的含量,事实上,cAMP-CAP复
合物是 lac体系的 positive regulator，它们不能代
替 lacI和 lacO的功能 (negative regulator)。
? cAMP-CAP不但能与 DNA相结合，造成双螺旋弯
曲，易于形成三元转录起始复合物，它还能直接
影响 RNA聚合酶的活性。 Dominant negative
（ Trans-dominant） lacI-d，只要有这个 "环 "的亚
基存在,lacI+基因产物（阻遏物）无法与 O区相
结合 lac operon得到表达。
6,lac操纵子 DNA的调控区域 --P.O.区
lac P（启动子区）从 I基因结束到
mRNA转录起始位点止，共长 82bp（ -82～
+1） O区就是阻遏物结合区，位于 P区后半
部分和转录起始区（ -7～ +28），该区序列
有对称性，其对称中心点在 +11位。 P区的
CAMP-CAP结合区（ -67～ -52）也有对称
性，其对称位点在 -60～ -59之间。
在一个完全被诱导的细胞中,β-半乳糖苷酶、
透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为 1:0.5:0.2，
这个比例在一定程度上反映了以 β-半乳糖苷作为
唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差
异是由于在翻译水平上受到调节所致。
① lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱
离，从而终止蛋白质链的翻译。这种现象发生的
频率取决于每一个后续的 AUG密码子再度起始翻
译的概率。
② 在 lac mRNA分子内部,A基因比 Z基因更
易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候 Z基
因的完整拷贝数要比 A基因多。
二,色氨酸操纵子的调控模式
? 色氨酸操纵子 (tryptophane operon)负责色氨酸的生物
合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自
动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开,trp基因表达，
色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不
是诱导过程）中起作用。由于 trp体系参与生物合成而
不是降解，它不受葡萄糖或 cAMP-CAP的调控。
? 色氨酸的合成分 5步完成。每个环节需要一种酶，编
码这 5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多
顺反子 mRNA上，分别以 trpE,trpD,trpC,trpB、
trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲
酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成
酶和吲哚甘油 -3-磷酶合成酶。
? trpE基因是第一个被翻译的基因，和 trpL和 trpa（不
是 trpA）。 trp操纵子中产生阻遏物的基因是 trpR，
该基因距 trp基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图
上 25min处，而前者则位于 90min处。在位于 65min
处还有一个 trpS（色氨酸 tRNA合成酶），它和携带
有 trp的 tRNATrp也参与 trp操纵子的调控作用。
? L区编码了前导肽，当有高浓度 Trp存在时，由于
弱化子 a的作用，转录迅速减弱停止，生成 140核苷
酸的前导 RNA；当 Trp浓度较低时，弱化子不起作
用，转录得以正常进行，生成长约 7kb的 mRNA，
操纵子中第一个结构基因的起始密码子 AUG在 +162
处。
1,trp操纵子的阻遏系统
? trpR基因突变常引起 trp mRNA的永久型合成，该
基因产物因此被称为辅阻遏蛋白 (aporepressor)。
除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会
与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有
活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录 trp
mRNA。
? 阻遏 -操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主
管转录是否启动，相当于粗调开关。 trp操纵子中对
应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，
指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控
是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来
实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频
率。
2．弱化子与前导肽
? 在 trp mRNA 5'端 trpE基因的起始密码前有一个长
162bp的 mRNA片段被称为前导区，研究发现，当
mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨
酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有 140
个核苷酸的 RNA分子，终止 trp基因转录。因为转录
终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，
这个区域就被称为弱化子。
? 分析前导肽序列，发现它包括起始密码子 AUG和
终止密码子 UGA，编码了一个 14个氨基酸的多肽。
该多肽有一个特征，其第 10位和 11位有相邻的两个
色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子
（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控
了蛋白质的合成。
? 当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的
tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密
码子的速度就会很慢，当 4区被转录完成时，核糖
体才进行到 1区（或停留在两个相邻的 trp密码子
处），这时的前导区结构是 2-3配对，不形成 3-4配
对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将 trp操
纵子中的结构基因全部转录。
? 当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通
过两个相邻的色氨酸密码子，在 4区被转录之前就
到达 2区，使 2-3区不能配对,3-4区自由配对形成基
一环终止子结构，转录被终止,trp操纵子被关闭。
3,trp操纵子弱化机制的实验依据
? trpS5是温度敏感型突变株，它所编码的
Trp-tRNAtrp合成酶只在 30℃ 时有活性,42℃
时无酶活性。比较野生型和突变型在 42℃ 和
30℃ 时，突变体的 Trp操纵子与野生型一样受
色氨酸浓度的调控。 42℃ 时，突变体中 Trp操
纵子的表达不受色氨酸浓度的调控。
? 另有一个缺失前导区及 D基因的突变体
（ trpΔLD102），该细菌在有色氨酸的培养
基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。
TrpΔED53中 L不缺失（弱化子存在），
trpΔLD102中 L缺失（弱化子不存在），缺失前
导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分
说明 trp操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到
前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调
控机制。
4．阻遏与弱化作用的协调
? 有实验证明，在不加色氨酸的培养基中,trp
mRNA的合成仍然受到部分阻遏，现在一般
认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无
活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，
能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最
终做出关闭或启动 trp操纵子的决定，从而维
持一定的色氨酸含量。
? 细菌中为什么要有弱化子系统呢？
一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极
低，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培
养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要
是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很
低的信号虽然足以引起 trp操纵子的去阻遏作用，但
是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。
在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加
trp基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。
? 那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为阻遏物
的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需
的先导 mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济
三,其他操纵子的调控机制
1,半乳糖操纵子
? 大肠杆菌半乳糖操纵子 (galactose operon)包括 3个
结构基因：
异构酶 (UDP-galactose-4epimerase,galE)，
半乳糖 -磷酸尿嘧啶核苷转移酶 (galactose
transferase,galT)，
半乳糖激酶 (galactose kinase,galk)。
这 3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖 -1-磷酸。
GalR与 galE,T,K及操纵区 O等离得很远，而 galR
产物对 galO的作用与 lacI-lacO的作用相同。
gal操纵子的特点：
① 它有两个启动子，其 mRNA可从两个不同的起
始点开始转录；
② 它有两个 O区，一个在 P区上游 -67--53，另一
个在结构基因 galE内部。
? 因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人
们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，
但实际上有葡萄糖存在时,gal操纵子仍可被
诱导。现已分离到一些突变株，其中一类突
变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成
半乳糖代谢酶类（ gal结构基因高效表达）；
而另一类突变株中 gal基因的表达完全依赖于
葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细
菌的 gal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。
? 分析 gal操纵子 P-O区的 DNA序列发现，该操
纵子确实存在两个相距仅 5bp的启动子，可以
分别起始 mRNA的合成。每个启动子拥有各
自的 RNA聚合酶结合位点 S1和 S2。
? 从 S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖
时，才能顺利进行,RNA聚合酶与 S1的结合
需要半乳糖,CAP和较高浓度的 cAMP。从
S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平
的 cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转
录。当有 cAMP-CAP时，转录从 S1开始，当
无 cAMP-CAP时，转录从 S2开始。
? 为什么 gal操纵子需要两个转录起始位点？
半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与
之相关的物质 --尿苷二磷酸半乳糖（ UDPgal）是大
肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情
况下,UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由
UDP-葡萄糖合成的，该酶是 galE基因的产物。生长
过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。
现在设想只有 S1一个启动子，那么由于这个启动子
的活性依赖于 cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存
在时就有能合成异构酶。假如唯一的启动子是 S2，
那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使
操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无
论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于
cAMP-CAP的启动子（ S1）对高水平合成进行调节。
2,阿拉伯糖操纵子
? 阿拉伯糖 (arabinose)是另一个可以为代谢提供碳
源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要 3
个基因,araB,araA和 araD，分别编码 3个酶：
araB基因编码核酮糖激酶 (ribulokinase),araA编码
L-阿拉伯糖异构酶 (L-arabinose isomerase),araD
编码 L-核酮糖 -5-磷酸 -4-差向异构酶 (L-ribulose-
5phosphate-4epimerase)。与 araBAD相邻的是一
个复合的启动子区域和一个调节基因 araC，这个
AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。
AraBAD和 araC基因的转录是分别在两条链上以相
反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上,araBAD
基因簇从启动子 PBAD开始向左进行转录，而 araC
基因则是从 Pc向右转录。
? AraC蛋白作为 PBAD活性正、负调节因子的
双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现
的。 Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚
未鉴定的类操纵区位点相结合，而 Pj是起诱
导作用的形式，它通过与 PBAD启动子结合
进行调节。在没有阿拉伯糖时,Pr形式占优
势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与 AraC
蛋白结合，使平衡趋向于 Pi形式。这样，阿
拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与
Pr的结合，使 Pr离开它的结合位点，然后，
产生大量的 Pi，并与启动子结合。
? 因为培养基中含有葡萄糖，所以 cAMP-CAP没有与
操纵区位点相结合,AraC蛋白处于 Pr形式并与 A位
点结合,RNA聚合酶很少再与 Pc结合,araC基因虽
然仍有转录，但受到抑制，只有少量 AraC蛋白形
成，整个系统几乎处于静止状态。
? 没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，
尽管有 cAMP-CAP与操纵区位点相结合,AraC蛋白
仍以 Pr形式为主，无法与操纵区 B位点相结合，无
araBAD mRNA转录。无葡萄糖，阿拉伯糖时，大
量 araC基因产物以 Pi形式存在，并分别与操纵区 B、
A位点相结合，在 cAMP-CAP的共同作用下,araC
和 araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。
3,组氨酸操纵子
? 与 His降解代谢有关的两组酶类被称为 hut酶
(histidine utilizing enzyme)，控制这些酶合成的操
纵子被称为 hut operon。由一个多重调节的操纵子
控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋
白。
Hut操纵子共编码 4种酶和一个阻遏物。 4种酶分别
由 hutG,hutH,hutI及 hutU基因编码，阻遏物则由
hutC基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两
个转录单位,hutI,hutG,hutC和 hutU,hutH分别
被转录合成两条 mRNA长链。这两个转录单位各自
都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从
左向右进行的,hutC阻遏物能与每个操纵区相结合。
? 无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源,hut操纵
子都会处于有活性状态。 Hut操纵子的每一个
启动子上都有 cAMP-CAP结合位点，当碳供
应匮乏时，能合成 cAMP，出现 cAMP-CAP
复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱
发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信
号是什么，但它很可能也是一个正效应子。
4,多启动子调控的操纵子
I,rRNA操纵子
大肠杆菌 rRNA操
纵子（ rrnE）上有
两个启动子,P1和
P2。 P1是强启动
子，营养充沛时，
由 P1起始的转录产
物比由 P2起始的转
录产物高 3-5倍。
当营养匮乏时,P1
的作用被抑制，但
P2仍有功能。
II,核糖体蛋白 SI操纵子
核糖体蛋白 SI操纵子（ rpsA），它也受应急
反应调节。 RpsA有 4个启动子,P1,P2是强
启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表
达，合成 SI蛋白。 P3,P4是弱启动子，只有
在紧急情况下,P1,P2启动子受 ppGpp的抑
制，由 P3,P4起始合成的 SI蛋白维持了生命
的最低需要。
III,Dna Q蛋白操纵子
Dna Q蛋白是 DNA聚合
酶全酶的亚基之一，其
主要功能是校正 DNA复
制中可能出现的错误。
在 RNA聚合酶活性较低
时，操纵子的转录由弱
启动子 P2控制；而
RNA聚合酶活性较高时，
就开始利用强启动子 P1。
四,原核生物种的转录后调
控1．稀有密码子对翻译的影响
? 已知 dnaG和 rpoD（编码 RNA聚合酶亚基）及 rpsU
（ 30S核糖体上的 S21б蛋白）属于大肠杆菌基因组
上的同一个操纵子，而这 3个基因产物在数量上却
大不相同，每个细胞内仅有 dnaG产物 50拷贝，而
rpoD为 2800拷贝,rpsU则高达 40 000拷贝之多。
细胞通过翻译调控，解决了这个问题。
? 研究 dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子，也
就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低，而
在 dnaG中却很高。
? 许多调控蛋白如 LacI,AraC,TrpR等在细胞内含
量也很低，编码这些蛋白的基因中密码子的使用频
率和 dnaG相似，而明显不同于非调节蛋白。高频率
使用这些密码子的基因翻译过程极容易受阻，影响
了蛋白质合成的总量。
2,重叠基因对翻译的影响
? 重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体 ΦX174中发
现，用不同的阅读方式得到不同的蛋白质，
丝状 RNA噬菌体、线粒体 DNA和细菌染色体
上都有重叠基因存在。
? Trp操纵子由 5个基因（ trpE,D,C,B,A）
组成，在正常情况下，操纵子中 5个基因产物
是等量的，但 trpE突变后，其邻近的 trpD产量
比下游的 trpBA产量要低得多。这种与 ρ蛋白
无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上
的调控。
? 研究 trpE和 trpD以及 trpB和 trpA两对基因中核苷酸
序列与翻译耦联的关系，发现 trpE基因的终止密
码子和 trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸。
? 由于 trpE的终止密码子与 trpD的起始密码重叠，
trpE翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这
种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因
进行翻译的机制。
3,RNA高级结构对翻译的影响
? 以 RNA噬菌体 f2的 RNA作为模板，在大肠杆菌无
细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋
白,RNA聚合酶只占外壳蛋白的 1/3。用同位素标记
分析 RNA噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳
蛋白起译频率比合成酶至少要高 3倍。
? 研究发现 f2外壳蛋白基因的琥珀突变也影响了 RNA
聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋
白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对 RNA聚
合酶的起译就没有影响。现在一般认为，聚合酶的
翻译起始区被 RNA的高级结构所掩盖，外壳蛋白的
起始翻译破坏了 RNA的立体构象，使核糖体有可能
与翻译起始区结合，导致聚合酶的起译。用甲醛处
理 RNA可以增加聚合酶的产量，这说明 RNA的高级
结构对基因表达调控的可能性。
4,魔斑核苷酸水平对翻译的影响
? 科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止
后,RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制
（ rel+）；反之则称为松散控制（ rel-）。研究发现，
在氨基酸缺乏时,rel+菌株能合成鸟苦四磷酸
（ ppGpp）和五磷酸（ pppGpp），而 rel-菌则不能。
GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp
ppGpp的主要作用可能是影响 RNA聚合酶与启动
子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。
当细胞缺乏氨基酸时产生 ppGpp，可在很大范围内
做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，
活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸
运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。
? 绪论
? 一,乳糖操纵子的调控模式
? 二,色氨酸操纵子的调控模式
? 三,其他操纵子的调控机制
? 四,原核生物种的转录后调控
绪论
? 原核生物和单细胞真核生物直接暴露在变幻莫测的
环境中，食物供应毫无保障，只有能根据环境条件
的改变合成各种不同的蛋白质，使代谢过程适应环
境的变化，才能维持自身的生存和繁衍。自然选择
倾向于保留高效率的生命过程。在一个每 30min增
殖一倍的 109细菌群体中，若有一个细菌变成了
29.5min增殖一倍，大约经过 80天的连续生长后，
这个群体中的 99.9%都将具有 29.5min增殖一倍的生
长速度。
? 一个大肠杆菌细胞中约有 2500-3000个基因。估
计正常情况下，可带有 107个蛋白质，平均每个
基因产生 3000多个蛋白质分子。但大肠杆菌中一
般带有 15,000-30,000个核糖体，有 50余种核糖体
结合蛋白，数量也很惊人。此外，负责糖酵解系
统的蛋白质数量也很大。而象半乳糖苷酶等诱导
酶，其含量可少至每细胞仅 1-5个分子。
? 一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。这
种,开 -关,（ on-off）活性是通过调节转录来建立的，
也就是说 mRNA的合成是可以被调节的。当我们
说一个系统处于,off”状态时，也有本底水平的基
因表达，常常是每世代每个细胞只合成 1或 2个
mRNA分子。所谓,关,实际的意思是基因表达量特
别低，很难甚至无法检测。
? 科学家把这个从 DNA到蛋白质的过程称为基因表
达 (gene expression)，对这个过程的调节就称为
基因表达调控 (gene regulation或 gene control)。
要了解动、植物生长发育的规律、形态结构特征
和生物学功能，就必须弄清楚基因表达调控的时
间和空间概念，掌握了基因表达调控的秘密，我
们手中就有了一把揭示生物学奥妙的金钥匙。
? 基因表达调控主要表现在以下几个方面：
① 转录水平上的调控 (transcriptional regulation)；
② mRNA加工成熟水平上的调控 (differential
processing of RNA transcript)；
③ 翻译水平上的调控 (differential translation of
mRNA).
? 原核生物中，营养状况 (nutritionalstatus)和环境
因素 (environmental factor)对基因表达起着举足
轻重的影响。在真核生物尤其是高等真核生物中，
激素水平 (hormone level)和发育阶段
(developmental stage)是基因表达调控的最主要
手段，营养和环境因素的影响力大为下降。
一,乳糖操纵子的调控模式
? 大肠杆菌乳糖操纵子 (lactose operon)包括 3
个结构基因,Z,Y和 A，以及启动子、控制
子和阻遏子等。转录时,RNA聚合酶首先与
启动区 (promoter,P)结合，通过操纵区
(operator,O)向右转录。转录从 O区的中间开
始，按 Z→Y→A 方向进行，每次转录出来的
一条 mRNA上都带有这 3个基因。转录的调控
是启动区和操纵区进行的,
? Z编码 β-半乳糖苷酶； Y编码 β-半乳糖苷透过酶；
A编码 β-半乳糖苷乙酰基转移酶。 β-半乳糖苷酶是
一种 β-半乳糖苷键的专一性酶，除能将乳糖水解
成葡萄糖和半乳糖外，还能水解其他 β-半乳糖苷
（如苯基半乳糖苷）。 β-半乳糖苷透过酶的作用
是使外界的 β-半乳糖苷（如乳糖）能透过大肠杆
菌细胞壁和原生质膜进入细胞内。 β-半乳糖苷乙
酰基转移酶的作用是把乙酰辅酶 A上的乙酰基转
到 β-半乳糖苷上，形成乙酰半乳糖。
? 1,酶的诱导 -lac体系受调控的证据在不含乳
糖及 β-半乳糖苷的培养基中,lac+基因型每
个大肠杆功细胞内大约只有 1-2个酶分子。如
果在培养基中加入乳糖，酶的浓度很快达到
细胞总蛋白量的 6%或 7%，每个细胞中可有
超过 105个酶分子。
? 科学家把大肠杆菌细胞放在加有放射性 35S
标记的氨基酸但没有任何半乳糖诱导物的
培养基中繁殖几代，然后再将这些带有放
射活性的细菌转移到不含 35S、无放射性的
培养基中，随着培养基中诱导物的加入,β-
半乳糖苷酶便开始合成。分离 β-半乳糖苷酶，
发现这种酶无 35S标记。说明酶的合成不是
由前体转化而来的，而是加入诱导物后新
合成的。
? 已经分离在有诱导物或没有诱导物的情况
下都能产生 lacmRNA的突变体，这种失去
调节能力的突变体称为永久型突变体，为
分两类,I型和 O型。
I型：野生型为 I+，突变型为 I-
O型：野生型为 O+，突变型为 Oc。
? I+→I -或 O+→Oc 后,Z,Y,A结构基因均
表现为永久表达，所以 I基因被称为调节基
因 (regulatory gene)。研究发现,I基因是一
个产生阻遏物的调节基因，其产物使体系
关闭。 I-突变体由于不能产生阻遏物，使细
胞成为 lac永久表达型。 I-/I+局部二倍体由
于带有一个正常阻遏物，使细胞中的 lac仍
然被抑制。
? 遗传学图谱分析指出,Oc突变位于 I与 Z之
间，所以,lac体系的 4个基因的序列为
IOZY。通过这些观察,Jacob和 Monod推
断 Oc突变代表 DNA链上的一个位点或一个
非编码区域，而不是一个基因，因为可编
码的基因具有互补性，而 Oc没有这一特性。
O决定相邻 Z基因的产物是诱导型合成还是
永久型合成,O区域称为操纵基因。
2,操纵子模型
Jacob和 Monod认为诱
导酶（他们当时称为
适应酶）现象是个基
因调控问题，可以用
实验方法进行研究，
因此选为突破口，终
于通过大量实验及分
析，建立了该操纵子
的控制模型。
① Z,Y,A基因的产物由同一条多顺反子的 mRNA
分子所编码。
② 这个 mRNA分子的启动子紧接着 O区，而位于 I与
O之间的启动子区（ P），不能单独起动合成 β-半
乳糖苷酶和透过酶的生理过程。
③ 操纵基因是 DNA上的一小段序列（仅为 26bp），
是阻遏物的结合位点。
④ 当阻遏物与操纵基因结合时,lacmRNA的转录起
始受到抑制。
⑤ 诱导物通过与阻遏物结合，改变它的三维构象，
使之不能与操纵基因结合，从而激发 lacmRNA的
合成。当有诱导物存在时，操纵基因区没有被阻
遏物占据，所以启动子能够顺利起始 mRNA的合
成。
3,Lac操纵子的本底水平表达
? 因为诱导物需要穿
过细胞膜才能与阻
遏物结合，而运转
诱导物需要透过酶。
在非诱导状态下有
少量（ 1-5个 mRNA
分子） lac mRNA合
成 --本底水平永久
型合成。
4,葡萄糖对 lac操纵子的影响 --代谢物阻遏效
应
研究表明，葡萄糖对 lac操纵子表达的抑制
作用是间接的，因为存在一种大肠杆菌突
变株，它正常的糖酵解过程受阻，葡萄糖 -
6-磷酸不能转化为下一步代谢中间物，该菌
株能在有葡萄糖存在的情况下被诱导合成
lac mRNA。
5,cAMP与代谢物激活蛋白
? 当葡萄糖和乳糖同时存在于培养基中时，
lac启动子表达受阻，没有 β-半乳糖苷酶活
性；当葡萄糖消耗完以后（图中箭头处），
细胞内 cAMP浓度增加,β-半乳糖苷酶活性
被诱导，一度停止生长的细胞又恢复分裂。
如果将细菌放在缺乏碳源的培养基中，细
胞内 cAMP浓度就很高；若在含葡萄糖的培
养基中培养，细菌中的 cAMP浓度就会很低；
如果将细菌置于甘油或乳糖等不进行糖酵
解的碳源培养基中，细菌中 cAMP的浓度也
会很高。
? 研究证实，葡萄糖所引起的代谢物抑制
(Catabolite repression)现象的实质是该代谢物降
低了细胞中 cAMP的含量,事实上,cAMP-CAP复
合物是 lac体系的 positive regulator，它们不能代
替 lacI和 lacO的功能 (negative regulator)。
? cAMP-CAP不但能与 DNA相结合，造成双螺旋弯
曲，易于形成三元转录起始复合物，它还能直接
影响 RNA聚合酶的活性。 Dominant negative
（ Trans-dominant） lacI-d，只要有这个 "环 "的亚
基存在,lacI+基因产物（阻遏物）无法与 O区相
结合 lac operon得到表达。
6,lac操纵子 DNA的调控区域 --P.O.区
lac P（启动子区）从 I基因结束到
mRNA转录起始位点止，共长 82bp（ -82～
+1） O区就是阻遏物结合区，位于 P区后半
部分和转录起始区（ -7～ +28），该区序列
有对称性，其对称中心点在 +11位。 P区的
CAMP-CAP结合区（ -67～ -52）也有对称
性，其对称位点在 -60～ -59之间。
在一个完全被诱导的细胞中,β-半乳糖苷酶、
透过酶及乙酰基转移酶的拷贝数比例为 1:0.5:0.2，
这个比例在一定程度上反映了以 β-半乳糖苷作为
唯一碳源时细胞的需要。不同的酶在数量上的差
异是由于在翻译水平上受到调节所致。
① lac mRNA可能与翻译过程中的核糖体相脱
离，从而终止蛋白质链的翻译。这种现象发生的
频率取决于每一个后续的 AUG密码子再度起始翻
译的概率。
② 在 lac mRNA分子内部,A基因比 Z基因更
易受内切酶作用发生降解，因此，在任何时候 Z基
因的完整拷贝数要比 A基因多。
二,色氨酸操纵子的调控模式
? 色氨酸操纵子 (tryptophane operon)负责色氨酸的生物
合成，当培养基中有足够的色氨酸时，这个操纵子自
动关闭，缺乏色氨酸时操纵子被打开,trp基因表达，
色氨酸或与其代谢有关的某种物质在阻遏过程（而不
是诱导过程）中起作用。由于 trp体系参与生物合成而
不是降解，它不受葡萄糖或 cAMP-CAP的调控。
? 色氨酸的合成分 5步完成。每个环节需要一种酶，编
码这 5种酶的基因紧密连锁在一起，被转录在一条多
顺反子 mRNA上，分别以 trpE,trpD,trpC,trpB、
trpA代表，编码了邻氨基苯甲酸合成酶、邻氨基苯甲
酸焦磷酸转移酶、邻氨基苯甲酸异构酶、色氨酸合成
酶和吲哚甘油 -3-磷酶合成酶。
? trpE基因是第一个被翻译的基因，和 trpL和 trpa（不
是 trpA）。 trp操纵子中产生阻遏物的基因是 trpR，
该基因距 trp基因簇很远，后者在大肠杆菌染色体图
上 25min处，而前者则位于 90min处。在位于 65min
处还有一个 trpS（色氨酸 tRNA合成酶），它和携带
有 trp的 tRNATrp也参与 trp操纵子的调控作用。
? L区编码了前导肽，当有高浓度 Trp存在时，由于
弱化子 a的作用，转录迅速减弱停止，生成 140核苷
酸的前导 RNA；当 Trp浓度较低时，弱化子不起作
用，转录得以正常进行，生成长约 7kb的 mRNA，
操纵子中第一个结构基因的起始密码子 AUG在 +162
处。
1,trp操纵子的阻遏系统
? trpR基因突变常引起 trp mRNA的永久型合成，该
基因产物因此被称为辅阻遏蛋白 (aporepressor)。
除非培养基中有色氨酸，否则这个辅阻遏蛋白不会
与操纵区结合。辅阻遏蛋白与色氨酸相结合形成有
活性的阻遏物，与操纵区结合并使之关闭转录 trp
mRNA。
? 阻遏 -操纵机制对色氨酸来说是一个一级开关，主
管转录是否启动，相当于粗调开关。 trp操纵子中对
应于色氨酸生物合成的还有另一个系统进行细调控，
指示已经启动的转录是否继续下去。这个细微调控
是通过转录达到第一个结构基因之前的过早终止来
实现的，由色氨酸的浓度来调节这种过早终止的频
率。
2．弱化子与前导肽
? 在 trp mRNA 5'端 trpE基因的起始密码前有一个长
162bp的 mRNA片段被称为前导区，研究发现，当
mRNA合成起始以后，除非培养基中完全没有色氨
酸，转录总是在这个区域终止，产生一个仅有 140
个核苷酸的 RNA分子，终止 trp基因转录。因为转录
终止发生在这一区域，并且这种终止是被调节的，
这个区域就被称为弱化子。
? 分析前导肽序列，发现它包括起始密码子 AUG和
终止密码子 UGA，编码了一个 14个氨基酸的多肽。
该多肽有一个特征，其第 10位和 11位有相邻的两个
色氨酸密码子。正是这两个相连的色氨酸密码子
（组氨酸、苯丙氨酸操纵子中都有这种现象）调控
了蛋白质的合成。
? 当培养基中色氨酸的浓度很低时，负载有色氨酸的
tRNATrp也就少，这样翻译通过两个相邻色氨酸密
码子的速度就会很慢，当 4区被转录完成时，核糖
体才进行到 1区（或停留在两个相邻的 trp密码子
处），这时的前导区结构是 2-3配对，不形成 3-4配
对的终止结构，所以转录可继续进行，直到将 trp操
纵子中的结构基因全部转录。
? 当培养基中色氨酸浓度较高时，核糖体可顺利通
过两个相邻的色氨酸密码子，在 4区被转录之前就
到达 2区，使 2-3区不能配对,3-4区自由配对形成基
一环终止子结构，转录被终止,trp操纵子被关闭。
3,trp操纵子弱化机制的实验依据
? trpS5是温度敏感型突变株，它所编码的
Trp-tRNAtrp合成酶只在 30℃ 时有活性,42℃
时无酶活性。比较野生型和突变型在 42℃ 和
30℃ 时，突变体的 Trp操纵子与野生型一样受
色氨酸浓度的调控。 42℃ 时，突变体中 Trp操
纵子的表达不受色氨酸浓度的调控。
? 另有一个缺失前导区及 D基因的突变体
（ trpΔLD102），该细菌在有色氨酸的培养
基中仍有很高的色氨酸合成酶活性。
TrpΔED53中 L不缺失（弱化子存在），
trpΔLD102中 L缺失（弱化子不存在），缺失前
导区后的表达比有前导区的表达要高得多，充分
说明 trp操纵子的表达调控除阻遏作用外，还受到
前导区的影响，失去了这个因素就失去了一个调
控机制。
4．阻遏与弱化作用的协调
? 有实验证明，在不加色氨酸的培养基中,trp
mRNA的合成仍然受到部分阻遏，现在一般
认为，野生型细胞中同时存在着有活性和无
活性的阻遏物，培养基中色氨酸浓度的变化，
能够使这两种阻遏物间的平衡发生倾斜，最
终做出关闭或启动 trp操纵子的决定，从而维
持一定的色氨酸含量。
? 细菌中为什么要有弱化子系统呢？
一种可能是阻遏物从有活性向无活性的转变速度极
低，需要有一个能更快地做出瓜的系统，以保持培
养基中适当的色氨酸水平。或者，弱化子系统主要
是对外源色氨酸浓度做出反应。外源色氨酸浓度很
低的信号虽然足以引起 trp操纵子的去阻遏作用，但
是这个信号还不足以很快引发内源色氨酸的合成。
在这种环境下，弱化子就通过抗终止的方法来增加
trp基因表达，从而提高内源色氨酸浓度。
? 那么为什么还要有阻遏体系呢？目前认为阻遏物
的作用是当有大量外源色氨酸存在时，阻止非必需
的先导 mRNA的合成，它使这个合成系统更加经济
三,其他操纵子的调控机制
1,半乳糖操纵子
? 大肠杆菌半乳糖操纵子 (galactose operon)包括 3个
结构基因：
异构酶 (UDP-galactose-4epimerase,galE)，
半乳糖 -磷酸尿嘧啶核苷转移酶 (galactose
transferase,galT)，
半乳糖激酶 (galactose kinase,galk)。
这 3个酶的作用是使半乳糖变成葡萄糖 -1-磷酸。
GalR与 galE,T,K及操纵区 O等离得很远，而 galR
产物对 galO的作用与 lacI-lacO的作用相同。
gal操纵子的特点：
① 它有两个启动子，其 mRNA可从两个不同的起
始点开始转录；
② 它有两个 O区，一个在 P区上游 -67--53，另一
个在结构基因 galE内部。
? 因为半乳糖的利用效率比葡萄糖低，人
们猜想葡萄糖存在时半乳糖操纵子不被诱导，
但实际上有葡萄糖存在时,gal操纵子仍可被
诱导。现已分离到一些突变株，其中一类突
变株能在不含葡萄糖的培养基中高水平合成
半乳糖代谢酶类（ gal结构基因高效表达）；
而另一类突变株中 gal基因的表达完全依赖于
葡萄糖，培养基中如无葡萄糖存在，这些细
菌的 gal基因不表达，不合成半乳糖代谢酶类。
? 分析 gal操纵子 P-O区的 DNA序列发现，该操
纵子确实存在两个相距仅 5bp的启动子，可以
分别起始 mRNA的合成。每个启动子拥有各
自的 RNA聚合酶结合位点 S1和 S2。
? 从 S1起始的转录只有在培养基中无葡萄糖
时，才能顺利进行,RNA聚合酶与 S1的结合
需要半乳糖,CAP和较高浓度的 cAMP。从
S2起始的转录则完全依赖于葡萄糖，高水平
的 cAMP-CAP能抑制由这个启动子起始的转
录。当有 cAMP-CAP时，转录从 S1开始，当
无 cAMP-CAP时，转录从 S2开始。
? 为什么 gal操纵子需要两个转录起始位点？
半乳糖不仅可以作为唯一碳源供细胞生长，而且与
之相关的物质 --尿苷二磷酸半乳糖（ UDPgal）是大
肠杆菌细胞壁合成的前体。在没有外源半乳糖的情
况下,UDP-gal是通过半乳糖差向异构酶的作用由
UDP-葡萄糖合成的，该酶是 galE基因的产物。生长
过程中的所有时间里细胞必须能够合成差向异构酶。
现在设想只有 S1一个启动子，那么由于这个启动子
的活性依赖于 cAMP-CRP，当培养基中有葡萄糖存
在时就有能合成异构酶。假如唯一的启动子是 S2，
那么，即使在葡萄糖存在的情况下，半乳糖也将使
操纵子处于充分诱导状态，这无疑是一种浪费。无
论从必要性或经济性考虑，都需要一个不依赖于
cAMP-CAP的启动子（ S1）对高水平合成进行调节。
2,阿拉伯糖操纵子
? 阿拉伯糖 (arabinose)是另一个可以为代谢提供碳
源的五碳糖。在大肠杆菌中阿拉伯糖的降解需要 3
个基因,araB,araA和 araD，分别编码 3个酶：
araB基因编码核酮糖激酶 (ribulokinase),araA编码
L-阿拉伯糖异构酶 (L-arabinose isomerase),araD
编码 L-核酮糖 -5-磷酸 -4-差向异构酶 (L-ribulose-
5phosphate-4epimerase)。与 araBAD相邻的是一
个复合的启动子区域和一个调节基因 araC，这个
AraC蛋白同时显示正、负调节因子的功能。
AraBAD和 araC基因的转录是分别在两条链上以相
反的方向进行的。在标准的遗传学图谱上,araBAD
基因簇从启动子 PBAD开始向左进行转录，而 araC
基因则是从 Pc向右转录。
? AraC蛋白作为 PBAD活性正、负调节因子的
双重功能是通过该蛋白的两种异构体来实现
的。 Pr是起阻遏作用的形式，可以与现在尚
未鉴定的类操纵区位点相结合，而 Pj是起诱
导作用的形式，它通过与 PBAD启动子结合
进行调节。在没有阿拉伯糖时,Pr形式占优
势；一旦有阿拉伯糖存在，它就能够与 AraC
蛋白结合，使平衡趋向于 Pi形式。这样，阿
拉伯糖的诱导作用就可以解释为阿拉伯糖与
Pr的结合，使 Pr离开它的结合位点，然后，
产生大量的 Pi，并与启动子结合。
? 因为培养基中含有葡萄糖，所以 cAMP-CAP没有与
操纵区位点相结合,AraC蛋白处于 Pr形式并与 A位
点结合,RNA聚合酶很少再与 Pc结合,araC基因虽
然仍有转录，但受到抑制，只有少量 AraC蛋白形
成，整个系统几乎处于静止状态。
? 没有葡萄糖，也没有阿拉伯糖，因为没有诱导物，
尽管有 cAMP-CAP与操纵区位点相结合,AraC蛋白
仍以 Pr形式为主，无法与操纵区 B位点相结合，无
araBAD mRNA转录。无葡萄糖，阿拉伯糖时，大
量 araC基因产物以 Pi形式存在，并分别与操纵区 B、
A位点相结合，在 cAMP-CAP的共同作用下,araC
和 araBAD基因大量表达，操纵子充分激活。
3,组氨酸操纵子
? 与 His降解代谢有关的两组酶类被称为 hut酶
(histidine utilizing enzyme)，控制这些酶合成的操
纵子被称为 hut operon。由一个多重调节的操纵子
控制，有两个启动子，两个操纵区及两个正调节蛋
白。
Hut操纵子共编码 4种酶和一个阻遏物。 4种酶分别
由 hutG,hutH,hutI及 hutU基因编码，阻遏物则由
hutC基因编码。在产气克氏菌中，以上基因构成两
个转录单位,hutI,hutG,hutC和 hutU,hutH分别
被转录合成两条 mRNA长链。这两个转录单位各自
都有一个启动子和一个操纵区，其转录过程都是从
左向右进行的,hutC阻遏物能与每个操纵区相结合。
? 无论以组氨酸作为唯一碳源或氮源,hut操纵
子都会处于有活性状态。 Hut操纵子的每一个
启动子上都有 cAMP-CAP结合位点，当碳供
应匮乏时，能合成 cAMP，出现 cAMP-CAP
复合物，并与操纵区上的相应位点结合，诱
发基因转录。虽然尚不清楚氮源缺乏时的信
号是什么，但它很可能也是一个正效应子。
4,多启动子调控的操纵子
I,rRNA操纵子
大肠杆菌 rRNA操
纵子（ rrnE）上有
两个启动子,P1和
P2。 P1是强启动
子，营养充沛时，
由 P1起始的转录产
物比由 P2起始的转
录产物高 3-5倍。
当营养匮乏时,P1
的作用被抑制，但
P2仍有功能。
II,核糖体蛋白 SI操纵子
核糖体蛋白 SI操纵子（ rpsA），它也受应急
反应调节。 RpsA有 4个启动子,P1,P2是强
启动子，平时主要依靠它们来启动基因的表
达，合成 SI蛋白。 P3,P4是弱启动子，只有
在紧急情况下,P1,P2启动子受 ppGpp的抑
制，由 P3,P4起始合成的 SI蛋白维持了生命
的最低需要。
III,Dna Q蛋白操纵子
Dna Q蛋白是 DNA聚合
酶全酶的亚基之一，其
主要功能是校正 DNA复
制中可能出现的错误。
在 RNA聚合酶活性较低
时，操纵子的转录由弱
启动子 P2控制；而
RNA聚合酶活性较高时，
就开始利用强启动子 P1。
四,原核生物种的转录后调
控1．稀有密码子对翻译的影响
? 已知 dnaG和 rpoD（编码 RNA聚合酶亚基）及 rpsU
（ 30S核糖体上的 S21б蛋白）属于大肠杆菌基因组
上的同一个操纵子，而这 3个基因产物在数量上却
大不相同，每个细胞内仅有 dnaG产物 50拷贝，而
rpoD为 2800拷贝,rpsU则高达 40 000拷贝之多。
细胞通过翻译调控，解决了这个问题。
? 研究 dnaG序列发现其中含有不少稀有密码子，也
就是说这些密码子在其他基因中利用频率很低，而
在 dnaG中却很高。
? 许多调控蛋白如 LacI,AraC,TrpR等在细胞内含
量也很低，编码这些蛋白的基因中密码子的使用频
率和 dnaG相似，而明显不同于非调节蛋白。高频率
使用这些密码子的基因翻译过程极容易受阻，影响
了蛋白质合成的总量。
2,重叠基因对翻译的影响
? 重叠基因最早在大肠杆菌噬菌体 ΦX174中发
现，用不同的阅读方式得到不同的蛋白质，
丝状 RNA噬菌体、线粒体 DNA和细菌染色体
上都有重叠基因存在。
? Trp操纵子由 5个基因（ trpE,D,C,B,A）
组成，在正常情况下，操纵子中 5个基因产物
是等量的，但 trpE突变后，其邻近的 trpD产量
比下游的 trpBA产量要低得多。这种与 ρ蛋白
无关的表达调控，已被证实是在翻译水平上
的调控。
? 研究 trpE和 trpD以及 trpB和 trpA两对基因中核苷酸
序列与翻译耦联的关系，发现 trpE基因的终止密
码子和 trpD基因的起始密码子共用一个核苷酸。
? 由于 trpE的终止密码子与 trpD的起始密码重叠，
trpE翻译终止时核糖体立即处在起始环境中，这
种重叠的密码保证了同一核糖体对两个连续基因
进行翻译的机制。
3,RNA高级结构对翻译的影响
? 以 RNA噬菌体 f2的 RNA作为模板，在大肠杆菌无
细胞系统中进行蛋白质合成时，大部分合成外壳蛋
白,RNA聚合酶只占外壳蛋白的 1/3。用同位素标记
分析 RNA噬菌体几种蛋白质的起译过程，发现外壳
蛋白起译频率比合成酶至少要高 3倍。
? 研究发现 f2外壳蛋白基因的琥珀突变也影响了 RNA
聚合酶合成的起始。但若该突变不是发生在外壳蛋
白接近翻译起始区，而是较靠后的位点，对 RNA聚
合酶的起译就没有影响。现在一般认为，聚合酶的
翻译起始区被 RNA的高级结构所掩盖，外壳蛋白的
起始翻译破坏了 RNA的立体构象，使核糖体有可能
与翻译起始区结合，导致聚合酶的起译。用甲醛处
理 RNA可以增加聚合酶的产量，这说明 RNA的高级
结构对基因表达调控的可能性。
4,魔斑核苷酸水平对翻译的影响
? 科学上，把培养基中营养缺乏，蛋白质合成停止
后,RNA合成也趋于停止这种现象称为严紧控制
（ rel+）；反之则称为松散控制（ rel-）。研究发现，
在氨基酸缺乏时,rel+菌株能合成鸟苦四磷酸
（ ppGpp）和五磷酸（ pppGpp），而 rel-菌则不能。
GTP+ATP→pppGpp+AMP→ppGpp
ppGpp的主要作用可能是影响 RNA聚合酶与启动
子结合的专一性，从而成为细胞内严紧控制的关键。
当细胞缺乏氨基酸时产生 ppGpp，可在很大范围内
做出应急反应，如抑制核糖体和其他大分子的合成，
活化某些氨基酸操纵子的转录表达，抑制与氨基酸
运转无关的转运系统，活化蛋白水解酶等。
